Wachen Sie morgens auf, während Sie Tukane singen, schauen Sie sich die Wettervorhersage an und sehen Sie die gleichen +28, ziehen Sie Ihre Lieblingsshorts an und gehen Sie durch die Stadt spazieren, fahren Sie die frechen Affen aus der Mülltonne, machen Sie einen Spaziergang entlang der Palmengasse, setzen Sie sich auf eine Bank vor dem See und füttern Sie die Flamingos, erinnern Sie sich an die Vorbereitung bis zum Winter und kaufen Sie eine andere Shorts. Für jemanden ist ein solcher Tag nicht ungewöhnlich, aber für uns (ich meine die Bewohner der kontinentalen Klimaregionen) ist dies eine echte Exotik. Was haben Flamingo und Tukane mit Physik zu tun? Und trotz der Tatsache, dass die Physik auch den Exoten nicht fremd ist, manifestiert sie sich in Prozessen, Substanzen und Phänomenen, die sich irgendwie von der allgemein anerkannten Norm unterscheiden. Heute werden wir nur über eines dieser Phänomene sprechen - den zweiten Klang, der in gewöhnlichem Graphit gefunden wurde. Was ist daran so exotisch, wie Wissenschaftler es gefunden haben, und sollten wir ihre Begeisterung für die Entdeckung teilen? Wir finden die Antworten, wo und normalerweise - nein, nicht bei Google, sondern im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
Theoretischer Rückzug
Der zweite Ton ist ein ziemlich lustiger Name für das Phänomen, der sich nur indirekt auf den Ton selbst bezieht (er hat sozusagen leichten Kontakt mit den Ärmeln). Der zweite Klang ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem die Wärmeübertragung eher wellenförmig als wie üblich diffundiert. Das Wort "Schall" ist im Namen dieses Prozesses aufgrund der Ähnlichkeit der Wellenausbreitung von Wärme mit einer ähnlichen Ausbreitung von Schallwellen vorhanden.
Schallwellen sind Schwankungen der Dichte von Molekülen in einer Substanz, aber die Wellen des zweiten Schalls sind bereits Schwankungen der Dichte partikelartiger thermischer Anregungen (Phononen und
Rotonen * ).
Roton * ist ein Quasiteilchen in Superfluid 4 He (Helium-4).
Frühere Manifestationen des zweiten Geräusches wurden in einer relativ kleinen Liste von Substanzen und bei ausreichend niedrigen Temperaturen gefunden:
-
2 He - flüssiges (
Superfluid * ) Helium, erhalten durch Abkühlen von 4He unter 2,1768 K;
-
4 He,
3 He, Bi (Wismut) bei einer Temperatur von 1,2 ... 4,0 K und NaF (Natriumfluorid) im festen Aggregatzustand bei einer Temperatur von 10 ... 20 K.
Superfluidität * ist eine Eigenschaft einer Flüssigkeit mit einer Viskosität von Null, die es ihr ermöglicht, ohne Verlust an kinetischer Energie zu fließen. Mit anderen Worten, eine solche Substanz (Quantenflüssigkeit) kann bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ohne Reibung durch sehr enge Löcher und Kapillaren gelangen.
Die Wissenschaftler hörten jedoch nicht auf, nach einem zweiten Geräusch in anderen Substanzen zu suchen. Die Suche ergab Ergebnisse - Anzeichen eines zweiten Geräusches wurden in gewöhnlichem Graphit bei Temperaturen über 100 K gefunden.
In ihrer Studie verwendeten die Wissenschaftler optische Messungen der Wärmeübertragung in Graphit mit einer Längenskala von 5 bis 20 Mikrometern. Die Beobachtungsergebnisse sind vollständig vergleichbar mit den zuvor durchgeführten Berechnungen und zeigen theoretisch das Vorhandensein eines zweiten Geräusches im Maßstab von ~ 1 μm bei hohen Temperaturen (bis zu Raumtemperatur).
Die Forscher erinnern uns daran, dass in gewöhnlichen nichtmetallischen Festkörpern Wärme durch Gitterschwingungen oder
Phononen * übertragen wird (nicht zu verwechseln mit Photonen). In einem idealen (praktisch) Kristall bei einer Temperatur von etwa 10 K können sich Phononen in mikroskopischen Abständen ohne Streuung ausbreiten, was zu einer ballistischen Wärmeübertragung führt.
Phonon * ist ein Quantum der Schwingungsbewegung eines Kristallatoms.
Bei Raumtemperatur ist die durchschnittliche Länge der Wärmeübertragung am Phonon aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Phonon-Phonon-Streuung recht gering, daher breitet sich die Wärme aufgrund der Diffusion über makroskopische Entfernungen aus.
Das zweite Geräusch befindet sich als Phänomen irgendwo zwischen der ballistischen und der diffusiven Wärmeübertragung. Dieser Zwischenmodus wird als Phononenhydrodynamik bezeichnet. In einer solchen Situation verläuft die normale Phonon-Phonon-Streuung viel häufiger, wobei der gesamte reduzierte Phonon-Impuls beibehalten wird und
der Übertragungsprozess * weniger wahrscheinlich ist.
Übertragungsprozesse * - Wenn Quasiteilchen in Kristallen kollidieren und das Gesetz der Impulserhaltung bis zum reziproken Gittervektor verwirklicht wird. Eine normale Streuung allein reicht jedoch nicht aus, um den Wärmefluss zu streuen und das Gitter in den Zustand des thermischen Gleichgewichts zurückzubringen. Stattdessen entspannt sich die Phononenpopulation zu einer „voreingenommenen“ Bose-Einstein-Verteilung, die durch eine Driftgeschwindigkeit ungleich Null gekennzeichnet ist, die mit dem Fluss von Molekülen in Gasen vergleichbar ist. Dadurch können sich thermische Wellen (Phononendichtewellen) mit einer Geschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit ausbreiten.
Forschungsergebnisse
In Vorbereitung auf die eigentlichen Experimente führten die Wissenschaftler Berechnungen durch und lernten einige theoretische Vorhersagen kennen, die zuvor gemacht wurden. Sie fanden heraus, dass ein zweiter Ton im Zeitintervall zwischen normaler Streuung und Überschwingen auftreten sollte (τ
N <t <τ
U ). In Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen wurde die Nanosekundenskala des Experiments für Graphen festgelegt. Dies erschwert den Forschungsprozess aufgrund der Unfähigkeit, herkömmliche Temperatursensoren zur Bestimmung der Wärmeübertragung zu verwenden. Daher wandten sich Wissenschaftler an Laser, um Hilfe zu erhalten. Genauer gesagt wurde das Verfahren der Übergangsthermogitter (
1A ) verwendet, wenn sich zwei kurze (60 ps) Laserpulse auf der Oberfläche der Probe schneiden.
Bild Nr. 1Der Laser-Handschlag bildet eine räumlich sinusförmige Wärmequelle, deren Periode (
L ) durch das Muster der optischen Interferenz bestimmt wird.
Durch Wärmestrahlung entsteht ein „Wärmegitter“ - ein räumlich sinusförmiges Temperaturfeld entlang der Oberfläche der Probe (∆T (t, z) cos (qx), wobei q = 2π / L der Wellenvektor des Wärmegitters ist). Anschließend fällt dieses Wärmegitter aufgrund der Wärmeübertragung ab. Die Wärmeausdehnung erzeugt eine gekoppelte sinusförmige Modulation der Oberflächenverschiebung oder "Pulsation" u (t) cos (qx), die als Übergangsbeugungsgitter für Laserstrahlung fungiert. Somit wird die Dämpfung (Abfall) des Wärmegitters aufgrund der Wärmeübertragung durch die zeitabhängige Beugung des Dauerstrichsondenlasers gesteuert. Der gebeugte Strahl wird dem Referenzstrahl derselben Quelle zur optischen Überlagerungsdetektion überlagert.
Hochorientierter pyrolytischer Graphit war der Protagonist dieser Studie, dh einer Probe. Die Probe war ein Polykristall mit einer Korngröße von ~ 10 & mgr; m, und die Position der Achse von allen Körnern war senkrecht zur Oberfläche der Probe selbst.
Anfänglich wurde 515 nm Licht auf die Probe verwendet, um das anfängliche Wärmegitter bei einer optischen Hauttiefe von ~ 30 nm zu erzeugen. Der Wärmeübertragungsprozess verlief in zwei Richtungen: entlang der Oberfläche des Wärmegitters (in der Ebene) und senkrecht zur Oberfläche (Querebene). Die Wärmeübertragung in der Querebene von Graphit war ~ 300-mal schwächer als die Übertragung in der Ebene. Somit ist die Tiefe der Wärmediffusion in der Querebene viel kleiner als die Position des Wärmegitters.
Entsprechend der Wärmediffusion (τ =
L 2 / 4π
2 ⍺) fällt in einem eindimensionalen Medium das Übergangswärmegitter exponentiell ab. Diese Aussage wurde in der Praxis bestätigt: Bei einer Temperatur von 300 K wurden Anzeichen eines exponentiellen Zerfalls (
1B ) festgestellt. Bei
L (Gitterperiode) von 37,5 & mgr; m wurde ein thermisches Diffusionsvermögen von 11 cm
2 / s erhalten.
Bei einer Abnahme der Gitterperiode entspricht die oben angegebene Wärmediffusionsformel nicht einem konstanten Wert von ⍺ (Wärmeleitfähigkeit). Je kürzer die Gitterperiode ist, desto langsamer ist der Abfall / die Dämpfung des thermischen Übergangsgitters (
1C ). Und dies steht im Widerspruch zu den Vorhersagen des Diffusionsmodells der Wärmeübertragung.
Bild Nr. 2Grafik
2A zeigt signifikante Änderungen, wenn die Temperatur auf 85 K abfällt. Bei einer Temperatur von 300 K dämpfen die Signale monoton, aber bei 85 K treten gedämpfte Schwingungen auf, wenn das Signal unter Null fallen kann. Für die Überlagerungsdetektion bedeutet eine Änderung des Vorzeichens des Übergangswärmegittersignals, dass sich die räumliche Phase des Gitters um π verschoben hat. Mit anderen Worten, die Position der lokalen Maxima und Minima der Oberflächenverschiebungen (einschließlich der Temperatur) ist umgekehrt. Und dieses Verhalten des Übergangswärmegitters ist vergleichbar mit der thermischen
Stehwelle * .
Stehende Welle * ist ein Wellenprozess in verteilten Schwingungssystemen mit alternierenden und räumlich stabilen Maxima und Minima der Amplitude.
In der Diffusionsversion erfolgt die Wärmeübertragung von heißeren zu kälteren Bereichen, und die Maxima und Minima können nicht vertauscht werden. Das heißt, diese Beobachtung ist ein charakteristisches Merkmal der Wellenausbreitung von Wärme.
Der Einschub in Grafik
2A zeigt, dass mit zunehmender Gitterperiode die Frequenz der wellenartigen Dynamik abnimmt. Die beobachtete lineare Beziehung zeigt eine Geschwindigkeit von 3200 m / s an. Dies ist eine wichtige Beobachtung, da die Übergangs-Wärmegittersignale häufig Schwingungen aufgrund von akustischen Oberflächenwellen enthalten können, deren Geschwindigkeit jedoch viel geringer ist. Vorausgesetzt, die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen beträgt ungefähr 1480 m / s, was nahe an der langsamen Quergeschwindigkeit liegt, während die schnelle Quergeschwindigkeit 14700 m / s beträgt und die Längsgeschwindigkeit sogar noch höher ist. Es ist auch erwähnenswert, dass akustische Wellen bei einem Anstieg der Hintergrundtemperatur oder der Gitterperiode nicht verschwinden würden.
Um eine solche Dynamik zu simulieren, verwendeten die Wissenschaftler die linearisierte Boltzmann-Transportgleichung mit einer vollständigen Drei-Phononen-Streumatrix in einem eindimensionalen Übergangswärmegitter. Zuvor wurde ein ähnliches Verfahren verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit von Graphen und Graphit zu bestimmen. Diese Technik war jedoch etwas eingeschränkt und könnte nicht angewendet werden, wenn nicht neue Studien eine Methode zur Berechnung der Frequenz-Green-Funktionen für instationären und inhomogenen Boltzmann-Transport beschreiben würden.
2B zeigt genau diese grünen Funktionen, die die Reaktion einer Phononenpopulation auf eine Wärmequelle in Form einer harmonischen ebenen Welle beschreiben.
Die von Wissenschaftlern unter Berücksichtigung der obigen Methoden durchgeführten Berechnungen ermöglichten es, die Zeitabhängigkeit der Amplitude des thermischen Gitters zu verstehen. Berechnungen bei einer Temperatur von 300 K und verschiedenen Gitterperioden zeigten die exponentielle Dämpfung des thermischen Übergangsgitters, was vollständig mit dem Experiment (
1C ) übereinstimmt. Bei einer Temperatur von 85 K ergibt die Frequenz-Green-Funktion eine Resonanzspitze (
2B ), die ein Kennzeichen des zweiten Schalls ist und zu Dämpfungsschwingungen (
2C ) führt. Alle berechneten Daten sind vollständig mit den experimentellen vergleichbar - sogar die Tatsache, dass der zweite Schall in großen Perioden des thermischen Übergangsgitters verschwindet.
Die Berechnungen zeigten, dass die Geschwindigkeit des zweiten Schalls (unter Berücksichtigung der Position der Spitze der Frequenzresonanz bei
2 °
C ) 3650 m / s beträgt. Ein solcher Indikator unterscheidet Graphit von einer Reihe anderer Materialien, bei denen ein zweiter Ton festgestellt wurde. In ihnen war die Geschwindigkeit des zweiten Tons langsamer als die Mindestgeschwindigkeit der Phononen. Graphit ist auch insofern überraschend, als es eine sehr niedrige Geschwindigkeit des langsamen transversalen akustischen Modus aufweist. Und die beeindruckende Anharmonizität und Zustandsdichte dieses Modus führt zu einer intensiven normalen Streuung und schafft Bedingungen für den hydrodynamischen Transfer von Phononen.
Bild Nr. 3Die obige Grafik (
Nr. 3 ) zeigt die Daten des thermischen Übergangsgitters bei einer konstanten Periode von 10 & mgr; m und bei verschiedenen Temperaturen. Das Schwingungsverhalten wurde bei 104 K und sogar bei 125 K beobachtet, aber wenn es eine Temperatur von 150 K erreicht, verschwindet es vollständig. Das gleiche passiert, wenn die Temperatur unter 50 K fällt.
Die Grafik zeigt auch eine simulierte Reaktion bei 50 K im ballistischen Modus, wenn die Phononenstreurate auf Null gesetzt wurde. Und hier ist klar, dass der Fehler in der Reaktion im ballistischen Modus verschwindet. Das heißt, das Verschwinden des zweiten Tons bei einer Temperatur von 50 K entspricht dem, was beim Übergang in den ballistischen Modus erwartet wird.
Bild Nr. 4Die Modellierung der Daten zeigte, dass das Auftreten eines zweiten Schalls im Temperaturbereich von 50 bis 250 K zu erwarten ist. Je höher die Temperatur, desto kürzer die Wärmeübertragungslänge: Bei
L = 10 μm beträgt die Temperatur "Decke" etwa 150 K, jedoch bereits bei
L = 1,5 μm Ein zweiter Ton wird bis zu 250 K beobachtet.
Bei niedrigen Temperaturen und kurzen Gitterperioden verschwindet die Phononenstreuung und die Wärmeübertragung wird ballistisch. Bei hohen Temperaturen und langen Zeiträumen geht die Wärmeübertragung langsam in den "Quasi-Diffusions" -Modus über.
Graphit zeichnete sich auch durch Isotope aus. Das heißt, früher wurde der zweite Ton nur in isotopenreinen Festkörpern beobachtet (wenn er nicht berücksichtigt wird, werden Beobachtungen in SrTiO
3 nach Ansicht von Wissenschaftlern nicht berücksichtigt). Der im Experiment verwendete Graphit ist jedoch nicht isotopenrein, was auf die einzigartige Natur der Phononenhydrodynamik dieser Substanz hinweist.
Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen, Details, Methoden und Berechnungen der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den
Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien dazu ansehen.
Nachwort
Manchmal sind exotische Phänomene oder Eigenschaften in den gewöhnlichsten und unauffälligsten Objekten verborgen. Diese Studie war eine Bestätigung dafür. Das zweite Geräusch, ein exotisches Phänomen, wurde bisher nur in sehr „seltsamen“ Substanzen und unter sehr extremen Bedingungen beobachtet.
Wissenschaftler betrachten ihre Arbeit als wichtig für das allgemeine Studium der Phononenhydrodynamik. Das Verständnis solcher Dinge wird es ermöglichen, Graphit und Graphen als wärmeableitende Materialien in der Mikroelektronik zu verwenden. Wissenschaftler glauben auch, dass ihre Arbeit das Studium der Manipulation und Kontrolle von Transportprozessen im Mikro- und Nanobereich beschleunigen wird.
Wir wissen so viel über die Dinge um uns herum, aber gleichzeitig legen solche Studien etwas anderes nahe. Gibt es eine Grenze für dieses Wissen? Solange es die Neugier und Begeisterung von Wissenschaftlern gibt - nein.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs.
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